Пристрій молекулярно-променевої епітаксії, який використовує сонячне світло для розщеплення води/Brenda Ahearn/Michigan Engineering, Communications and Marketing
Дослідники з Мічиганського університету розробили квантовий матеріал для виробництва водню лише з використанням сонячного світла та води.
У власному дослідженні науковці розв’язали проблеми фотокаталітичного розщеплення води для отримання екологічно чистого водню. У рамках випробувань їхні екситонні квантові надґратки продемонстрували ефективність у виробництві водню.
Водневе паливо має величезний потенціал, пов’язаний зі скороченням шкідливих викидів, оскільки під час спалювання виділяє лише водяну пару. У майбутньому воно підтримуватиме роботу важкої техніки, зокрема, вантажівок, потягів та кораблів, а також системи промислового опалення й децентралізовані системи електрозабезпечення. Водночас традиційні методи виробництва водню базуються на спалюванні викопного палива, що знижує екологічні переваги.
Фотокаталітичне розщеплення води використовує сонячне світло для проведення хімічної реакції. Дослідники з Мічиганського університету розв’язали давню проблему низької ефективності фотокаталізаторів під час розщеплення молекул води на водень та кисень. Науковці розробили екситонні квантові надґратки, що складаються з ультратонких шарів нітриду галію та нітриду індію-галію. Ці шари утворюють періодичну структуру, яка покращує оптоелектронні властивості. У підсумку дослідники переконались, що ці матеріали можуть розщеплювати воду та виробляти чистий водень з високою ефективністю.
Проведені дослідження продемонстрували ефективність перетворення сонячної енергії у водень на рівні 3,16% в умовах навколишнього середовища за концентрованого сонячного світла, а також в середньому на 1,64% за демонстраційних випробувань на відкритому повітрі за інтенсивністю сонячного світла, яка у 204 рази перевищувала початкову.
“Виробництво екологічно чистого водню безпосередньо з сонячного світла і води стало перспективним шляхом для досягнення вуглецевої нейтральності та екологічної стійкості. Однак неефективне використання фотогенеруючих носіїв заряду у фотокаталізаторах знижує ефективність перетворення сонячної енергії у водень. Ми демонструємо використання екситонних квантових надґраткових структур, що складаються з нітриду галію та нітриду індію-галію нанометрового масштабу, для ефективного управління зарядом при фотокаталітичному повному розщепленні води”, — пояснюють дослідники.
Вони використали ефект Штарка, обмежений квантовими силами, щоб подовжити час існування фотогенерованих непрямих екситонів — пар електронів і дірок, пов’язаних кулонівською взаємодією. І хоча продемонстрована ефективність є значним прогресом, її все ще недостатньо для широкого комерційного застосування. Однак дослідження демонструє потенціал квантових надґраток у фотокаталітичних системах.
Подальші вдосконалення можуть підвищити ефективність та надихнути на створення аналогічних розробок для інших матеріалів. Подальші досягнення можуть допомогти уникнути найгірших наслідків кліматичних змін внаслідок переходу на відновлювані джерела енергії.
До цього ми писали, що у США запрацював перший ядерний реактор, що виробляє енергію, водень та чисту воду. Водночас Японія запустила перший у світі комерційний газовий двигун на 30% водню.
Результати дослідження опубліковані у журналі Nature
Джерело: Interesting Engineering
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.